70000 吨散货船气囊下水静力计算分析报告

70000 吨散货船气囊下水静力计算分析报告
目录
1. 前言 (4)
1.1 该船的主要特征 (4)
1.2 计算分析依据的图纸及文件 (4)
1.3 计算采用的软件 (4)
2. 有限元模型的建立 (4)
2.1 模型范围 (4)
2.2 坐标系及量纲 (5)
2.3 结构模型化 (5)
2.4 网格控制 (5)
2.5 材料特性 (6)
2.6 有限元模型简述 (6)
3. 载荷与边界 (8)
3.1 计算工况 (8)
3.2 模型中所施加的载荷 (8)
3.3 边界条件 (9)
4. 计算结果 (9)
4.1 肋板 (9)
4.2 纵桁 (10)
4.3 外板 (10)
5. 总结 (11)
6. 计算结果图片 (11)
6.1 Fr115 肋板 (11)
6.2 Fr118 肋板 (12)
6.3 Fr121 肋板 (13)
6.4 Fr124 肋板 (14)
6.5 Fr127 肋板 (15)
6.6 Fr130 肋板 (16)
6.7 CL.11912SB 纵桁 (17)
6.8 CL.8632SB 纵桁 (18)
6.9 CL.6172SB 纵桁 (19)
6.10 CL.3712SB 纵桁 (20)
6.11 CL.1252SB 纵桁 (21)
6.12 CL.1252PS 纵桁 (22)
6.13 CL.3712PS 纵桁 (23)
6.14 CL.6172PS 纵桁 (24)
6.15 CL.8632PS 纵桁 (25)
6.16 CL.11912PS 纵桁 (26)
6.17 外板 (27)
附件 (30)
A.端部弯矩和剪力计算 (30)
B.3#70000 船气囊下水工艺(2010.11) (34)
1. 前言
本报告根据山东省昌林船舶气囊与靠球技术研究中心提供的《3#70000船气囊下水工艺(2010.11)》文件以下简称《工艺》,用有限元方法做了相应静力计算,本文所作计算不考虑动载荷和冲击载荷对船体结构的影响,也无法考虑实际操作中的一些其它因素的影响｡所作计算仅供中国船级社参考之用｡
1.1该船的主要特征
70000吨散货船的主尺度如下:
: 222.00米
总长L
OA
垂线间长L
: 216.20米
PP
结构船长L
: 213.27米
S
型宽B: 32.26米
型深H: 18.00米
结构吃水T
: 13.00米
S
服务航速V
: 13.8节
max
: 0.897
方形系数C
B
1.2计算分析依据的图纸及文件
SC4582-010-04 横剖面图
SC4582-110-05 基本结构图
SC4582-110-06 外板展开图
SC4582-112-02 双层底结构图
SC4582-111-02 舷侧结构图
SC4582-121-03 横舱壁结构图
1.3计算采用的软件
计算中,采用MSC/Patran建立模型､施加载荷及显示应力和变形结果,计算分析采用MSC/Nastran进行｡
2. 有限元模型的建立
2.1模型范围
气囊下水静力计算,采用三维有限元模型对散货船主要构件进行强度直接计算时,
模型范围为船中货舱区的1/2个货舱+1个货舱+1/2个货舱,垂向范围为船体型深,强度评估采用中间一个货舱(含舱壁的)的结果｡
由于本船重心位于第4舱,故选用1/2个3货舱+1个4货舱+1/2个5货舱的全宽模型为
本次建模的范围,即FR91—FR164｡
2.2坐标系及量纲
模型全局坐标系的X方向为船长方向,指向船艏;Y方向为船宽方向,自中纵剖面指向左舷;Z方向为型深方向,自基线指向甲板｡模型全局坐标系的原点位于FR0､纵中剖面､基线处｡
结构模型的建立和载荷施加过程中采用毫米单位制(SI-mm),单位定义如下:
质量: 吨(t)
长度: 毫米(mm)
时间: 秒(s)
力: 牛顿(N)
应力: 兆帕(MPa)
压力: 牛顿每平方毫米(N/mm2)
2.3结构模型化
图纸中所述的所有主要构件均在有限元模型中建模｡有限元网格边界尽可能的模拟实际结构的扶强材排列规律,并尽可能的表示扶强材之间的板格真实几何形状｡结构尺寸采用船舶建造厚度｡
模型中船体的外板､甲板､船底板､强框架､纵向列板､舷侧肋骨高腹板以及槽形舱壁､壁凳和凳内隔板均采用4节点板壳单元模拟,在高应力区和高应力变化区尽量避免使用三角形单元｡
对于承受水压力和货物压力的各类板上的扶强材用梁单元模拟,并考虑偏心影响｡纵桁､肋板上的加强筋,肋骨和轴板等主要构件的面板和加强筋用杆单元模拟｡当遇到网格布置和大小划分比较困难时,部分区域上的线单元用一根代替多根,或线单元位置和实际的加强筋布置有一定的错位｡
2.4网格控制
不与气囊接触的船体结构有限元网格参考《CCS散货船有限元强度直接计算指南》要求,沿船壳横向按纵骨间距或类似的间距划分,纵向按肋骨间距或类是间距大小划分,网格形状接近正方形｡船底纵桁和肋板在垂直方向上布置3个单元｡每个槽型舱壁的腹板和翼板划分为一个板单元,在槽型舱壁下端接近底凳处的板单元和凳板的临近单元其长宽比尽量为1｡
与气囊接触的船体结构使用1/2纵骨间距,并考虑相邻结构的单元协调性｡其中
Fr122与Fr126位置处使用100X100有限元网格,并考虑相邻结构的单元协调性｡
2.5 材料特性
70000吨散货船货舱段结构由普通钢及高强度钢构成,计算中取材料的物理特性参数如下:
扬氏模量 E
: 泊松比
: 密 度
: 2.06 ⨯105 N / mm 2 0.3 7.85⨯10-9 t / mm 3 材料系数 k
: 普通钢为 1;H32 为 0.78;H36 为 0.72｡
2.6 有限元模型简述
有限元模型如下图所示:
图 1,有限元模型总揽
图 2,有限元模型侧视图
四边形壳单元个数: 58072 个
三角形壳单元个数: 2277 个
梁单元个数: 21075 个
杆单元个数: 5011 个
多点约束: 1 个
工况数: 1 个
图3,船体外板有限元网格划分
图4,内底板有限元网格划分
3. 载荷与边界
3.1计算工况
依据《工艺》,确定的计算工况为下水过程中船舶重心到达船台末端时的船舶受力状态｡此时船舶承受水的浮力,气囊的支撑力和船舶自身重力｡由于浮力较小,船舶在自身重量的作用下处于中拱状态,且气囊支撑力主要集中在船台末端即船舶重心位置附近｡
3.2模型中所施加的载荷
1)气囊支撑力
模型中加载了Fr104.5/Fr108/ Fr111.5/ Fr115/ Fr118.5/ Fr122/ Fr126/ Fr130/ Fr134/ Fr1138/ Fr142/ Fr146/ Fr150处的气囊支撑力,气囊支撑力来自《工艺》,见下表｡
表1.船舶重心到船台末端时气囊承载力
2)弯矩和剪力
模型后部端面施加一个弯矩和一个剪力,所施加的弯矩和剪力为计算所得的船舶重心处的弯矩和剪力｡
船舶重心处的弯矩: M
1 =M
2
+M
3
+M
4
其中: M
1
为船舶重心处的弯矩,
M
2
为船舶重量引起的船舶重心处的弯矩,
M
3
为1#—6#气囊入水后浮力对船舶重心处的弯矩,数值见《工艺》,
M
4
船舶入水部分浮力对船舶重心处的弯矩,数值见《工艺》｡
船舶重心处的剪力: F 1 = F 2 + F 3 + F 4
其中: F 1 为船舶重心处的剪力,
F 2 为船舶重量引起的船舶重心处的剪力,
F 3 为1#—6#气囊入水后浮力,数值见《工艺》,
F 4 船舶入水部分浮力,数值见《工艺》｡
计算得到: M 1 = 215517.0818(t ⋅ m); F 1 = 3181.12(t) ｡计算过程详见附件A ｡
需要注意的是,实际船中弯矩和剪力会略小于计算所得之值,因为模型中施加了气囊的支撑力,支撑力会起到减小船中弯矩和剪力的作用,这部分作用在有限元计算中由软件自动考虑,此处计算端部施加弯矩和剪力时不考虑在内｡
3.3 边界条件
模型前端面上所有点约束六个方向的自由度｡
4. 计算结果
板单元的应力计算结果包括单元的(σx ,σy ,τ)及 V on Mises 合成应力,合成应力按下式计算:
σ E =
4.1 肋板
详细的计算结果图片见第6节,图6.1.1—图6.6.4｡
σ x + σ - σ ⋅ σ + 3τ
2 2 2 y x y
4.2纵桁
详细的计算结果图片见第6节,图6.7.1—图6.16.4｡
4.3外板
详细的计算结果图片见第6节,图6.17.1—图6.17.4｡
5.总结
静力计算结果显示,应力值没有超过钢材的最小屈服应力｡
6.计算结果图片
6.1Fr115肋板
图6.1.1,Fr115 肋板Y 向应力
图6.1.2,Fr115 肋板Z 向应力
图6.1.3,Fr115 肋板面内剪应力
图6.1.4,Fr115 肋板合成应力6.2Fr118肋板
图6.2.1,Fr118 肋板Y 向应力
图6.2.2,Fr118 肋板Z 向应力
图6.2.4,Fr118 肋板合成应力6.3Fr121肋板
图6.3.1,Fr121 肋板Y 向应力
图6.3.2,Fr121 肋板Z 向应力
图6.3.4,Fr121 肋板合成应力6.4Fr124肋板
图6.4.1,Fr124 肋板Y向应力
图6.4.2,Fr124 肋板Z 向应力
图6.4.4,Fr124 肋板合成应力6.5Fr127肋板
图6.5.1,Fr127 肋板Y向应力
图6.5.2,Fr127 肋板Z 向应力
图6.5.4,Fr127 肋板合成应力6.6Fr130肋板
图6.6.1,Fr130 肋板Y向应力
图6.6.2,Fr130 肋板Z 向应力
图6.6.3,Fr130 肋板面内剪应力
图6.6.4,Fr130 肋板合成应力
6.7CL.11912SB纵桁
图6.7.1,CL.11912SB 纵桁X向应力
图6.7.2,CL.11912SB 纵桁Z 向应力
图6.7.3,CL.11912SB 纵桁面内剪应力
图6.7.4,CL.11912SB 纵桁合成应力6.8CL.8632SB纵桁
图6.8.1,CL.8632SB 纵桁X向应力
图6.8.2,CL.8632SB 纵桁Z 向应力
图6.8.3,CL.8632SB 纵桁面内剪应力
图6.8.4,CL.8632SB 纵桁合成应力6.9CL.6172SB纵桁
图6.9.1,CL.6172SB 纵桁X向应力
图6.9.2,CL.6172SB 纵桁Z 向应力
图6.9.4,CL.6172SB 纵桁合成应力6.10CL.3712SB纵桁
图6.10.1,CL.3712SB 纵桁X向应力
图6.10.2,CL.3712SB 纵桁Z 向应力
图6.10.4,CL.3712SB 纵桁合成应力6.11CL.1252SB纵桁
图6.11.1,CL.1252SB 纵桁X向应力
图6.11.2,CL.1252SB 纵桁Z 向应力
图6.11.3,CL.1252SB 纵桁面内剪应力
图6.11.4,CL.1252SB 纵桁合成应力6.12CL.1252PS纵桁
图6.12.1,CL.1252PS 纵桁X向应力
图6.12.2,CL.1252PS 纵桁Z 向应力
图6.12.4,CL.1252PS 纵桁合成应力6.13CL.3712PS纵桁
图6.13.1,CL.3712PS 纵桁X向应力
图6.13.2,CL.3712PS 纵桁Z 向应力
图6.13.4,CL.3712PS 纵桁合成应力6.14CL.6172PS纵桁
图6.14.1,CL.6172PS 纵桁X向应力
图6.14.2,CL.6172PS 纵桁Z 向应力
图6.14.4,CL.6172PS 纵桁合成应力6.15CL.8632PS纵桁
图6.15.1,CL.8632PS 纵桁X向应力
图6.15.2,CL.8632PS 纵桁Z 向应力
图6.15.4,CL.8632PS 纵桁合成应力6.16CL.11912PS纵桁
图6.16.1,CL.11912PS 纵桁X向应力
图6.16.2,CL.11912PS 纵桁Z 向应力
图6.16.3,CL.11912PS 纵桁面内剪应力
图6.16.4,CL.11912PS 纵桁合成应力6.17外板
图6.17.1,外板X向应力
图6.17.2,外板Y向应力
图6.17.3,外板面内剪应力
图6.17.4,外板合成应力
附件
A.端部弯矩和剪力计算
根据表格可以得到:
M3为1#—6#气囊入水后浮力对船舶重心处的弯矩为-3801.6
M
4
船舶入水部分浮力对船舶重心处的弯矩为-125852.61
F
3
为1#—6#气囊入水后浮力为198
F
4
船舶入水部分浮力为2874.66
因此:
M
1=M
2
+M
3
+M
4
=345171.2918-3801.6-125852.61 =215517.0818(t⋅m)F
1
=F
2
+F
3
+F
4
=6253.78-198-2874.66 =3181.12(t)
B.3#70000船气囊下水工艺(2010.11)。